超声波在混凝土桩基础无损检测中的应用

(四川川交道桥试验检测有限责任公司， 四川 广汉 618300)

混凝土桩基础是由多根混凝土桩加上承台形成的整体，其在整个桥梁结构中起着重要的荷载承载作用。通过将桥梁上部结构中的巨大荷载传递至下部土层中，以此为混凝土桩基础提供安全保障[1]。通常情况下，混凝土桩基础的质量与整个桥梁结构的质量、耐久性密切相关。

1 超声波无损检测技术介绍

在路桥工程施工中，经常采用的混凝土桩基施工质量检测方法有高应变法、钻芯取样法、低应变法和静荷载试验法等。但以上质量检测方法检测成本高、所用时间长，且检测结果可靠性低，一般只适合于小比例抽检。在有些工况下，施工质量检测所用设备庞大，不便于现场开展检测工作。在此背景下，超声波无损检测技术应用而生。其作为一种历经几十年发展历程的质量检测方法，基于其强大的无损检测技术优势，可快速、准确及便捷对桥梁工程桩基础质量进行检测。

2 超声波无损检测原理

采用超声波无损检测技术对桥梁桩基础进行质量检测时，主要基于超声波的介质传播原理进行检测。由于声波在介质中传播时，其从一种介质传播到另一种介质，声波能量与传播规律均会发生变化。而桥梁水泥混凝土桩基础作为一种由砂、水和水泥等材料组成的复杂混合物，超声波在检测传播时也具有一定的规律。

对于施工质量较好的桥梁桩基础而言，其内部结构密实，均匀，无损检测时，声波会按一定的规律均匀分布。但在检测质量较差的桥梁桩基础时，由于混凝土结构存在“夹泥”、“裂缝”及“蜂窝”等质量缺陷。因此，当声波遇到以上阻抗时，会沿着不同的方向无规律传播，由此可以采用超声换能器通过分析超声波波形、波幅和声速，即可对桥梁桩基础内部质量问题进行识别判断。正是基于异常与正常的声波传播规律特征，使超声波无损检测技术在桥梁桩基础质量检测中取得了良好的成效[2]。

3 超声波在混凝土桩基础无损检测中的影响因素

3.1 混凝土桩基础质量缺陷对超声波波速的影响

在对混凝土桩基础进行质量检测时，若遇裂缝、空洞等质量缺陷，由于这些缺陷界面有很大的反射系数。所以，超声波无法在混凝土缺陷界面进行快速传播，其只能沿着混凝土缺陷边缘传播声波与能量，由此会增加超声波传播路径。所以，在超声波无损检测过程中，所需时间要比正常混凝土桩基础所用检测时间长。同时，在对超声波波速进行计算时，由于声波接收与发送端的距离不变，所以超声波的声速会减小。

3.2 混凝土桩基础质量缺陷对超声波波幅的影响

当混凝土桩基中出现蜂窝及夹泥等质量缺陷时，其会散射或吸收声波能量，由此会减小超声换能器接收端的声波波幅。对此情况，要在超声波无损检测混凝土桩基础时，以超声波仪器的首波为波幅。在此过程中，为了增强混凝土桩基础超声无损检测效果，要在装满清水的声测管中放置超声检测换能器，以水为超声检测换能器接受声波的耦合剂。由于声速和波幅对超声无损检测质量缺陷的敏感性不同，据此即可判断混凝土桩基础的质量缺陷。

3.3 混凝土桩基础质量缺陷对超声波波形的影响

当混凝土桩基础中产生质量缺陷时，超声波会在混凝土桩基础质量缺陷处反射及折射和波形转换，从而使超声无损检测换能器接收端的各种波相叠加，由此会使超声波波形畸变。

4 混凝土桩基础无损检测中采用的超声波设备

4.1 混凝土桩基础超声波检测仪

超声波检测仪是混凝土桩基础无损检测中使用的一种重要设备，其不仅能够接收超声换能器发送端传递的信号，还可将电脉冲信号发送给超声换能器发射端。在此过程中，换能器发射端发送的信号由超声波检测仪进行整理，由此形成可直接观看的波幅或波形等信息数据。

4.2 超声检测换能器

采用超声波换能器对混凝土桩基础进行无损检测时，关键问题是如何通过能量转换发射超声波。首先，需将超声波的电能转换为声波能量，然后再将超声波发射至待检测的混凝土桩中。当混凝土桩基中有超声波经过时，还需基于超声换能器将超声波转换为电量。在超声检测过程中，需在声测管中放置超声换能器，使声波发射端发射的超声波由待测混凝土桩基到达接收端，以此完成对相关信息资料的采集。因此，基于超声波对混凝土桩基进行超声无损检测时，需确保超声换能器设备直径不能超过声测管；同时，其水密性要好，且连接超声换能器的电缆要有能够对下放深度进行计量的标识。

4.3 混凝土桩基础无损检测声测管

超声换能器在对混凝土桩基进行超声无损检测时，需由声测管为其提供工作环境。一般在平行或竖直方向中布置2根或2根以上的全金属声测管。在实际检测过程中，要根据混凝土桩基的直径决定全金属声测管的布设数量。将清水注入声测管中，并移动声测管内的超声换能器，以此对不同截面的混凝土桩基础质量进行测量。

5 基于超声波对混凝土桩基础无损检测

某工程在混凝土桩基础质量检测时，基于超声波进行无损检测，以通过试验研究方法，验证该检测方法的可行性与有效性[3]。试验检测过程如下：

(1) 超声波无损检测试验设计

本试验采用的混凝土等级为C30，粗骨料最大粒径为35 mm。在检测试验过程中，制作了 8块立方体试件进行超声无损检测试验，试块尺寸为 15cm×15cm× 15cm，然后在试块中人为制造了“分层”、“空洞”与“疏松”三种质量缺陷，并将试块分别标识为“密实型5号(试块中分布有高3cm、直径3cm的圆柱形空洞质量缺陷)”、“疏松型3号、4号”和“完全密实型1号、2号”、“疏松型6号(试件中分布有高3cm、直径3cm的圆柱形空洞质量缺陷)”、“试件7号(试块中间有分层质量缺陷)”、“试件8号(试块中间有分层质量缺陷)”。

(2) 超声波无损检测

采用超声波检测仪进行超声无损检测时，其工作电压、低通频率、高通频率、检测采样长度、声时精度、接受灵敏度参数分别设置为800V、500KHz、4500KHz、16K、0.1μs、≤25μs。同时，配备压电陶瓷式换能器(d=4cm)，当8个混凝土桩基础试块制作成型7d、14d、28d后进行超声波无损检测。

检测结果显示，1号、2号试件在超声检测时声时最小，声幅最大，声波传递最为集中，由于该试件在检测时超声波能量散失少，因此试件最为密实。而 5号试件虽然在超声无损检测过程中所用声时少，声速大，但由于其内部存在细微空洞质量缺陷。因此，声波在传递过程中会有一定的损失，由此说明 5号试件外表密实，内部存在质量缺陷。

按照超声传播原理，疏松型试件在超声检测时声波会在内部散射。故一般情况下，内部存在孔洞质量缺陷的试件，其声幅较小，3号、4号及6号试件在超声无损检测时，声速小，所用声时大，声幅小，且声波能量散失最为严重，由此表明该混凝土桩基试快结构密实性较差。

此外，试件7和8在检测时，声波传递分散且不连续，声时最大，声速和声幅最小，由此说明试快内部存在夹层或分层等质量缺陷，阻碍了声波的连续传递。

综上检测结果表明，混凝土桩基试快龄期不同，其声幅与声速在检测时的变化规律也存在很大差异。但14d和28d的混凝土桩基试快超声无损检测结果基本相同。由此说明，14d以后，混凝土桩基础的结构已趋于稳定，质量基本无缺陷。

6 结语

由于桩基础施工具有一定的隐蔽性，因此在施工及后期维护过程中难以发现其中的质量病害。在整个施工过程中，对桥梁桩基础进行质量检测非常关键。应用结果表明，超声波无损检测技术在桥梁工程混凝土桩基础质量检测中具有重要作用，其可有效对桥梁混凝土桩基础中尚存的质量问题进行检测，从而为桥梁混凝土桩基础施工质量病害处理及预防提供了先进的技术手段。

[1]张苗洲.基桩超声波检测法在灌注桩检测中的运用简析[J].建筑工程技术与设计,2013,(12):204-204.

[2]王述红,张鑫,赵振东等.声波透射法检测大直径灌注桩试验研究[J].东北大学学报（自然科学版）,2011,32(6):868-870.

[3]张继华,孙华圣,陈家瑞等.声波透射法检测桩基完整性原理及工程应用[J].淮阴工学院学报,2017,26(1):47-51.